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功率MOSFET基礎(chǔ)知識詳解

發(fā)布時間：2018-11-01 責任編輯：xueqi

【導讀】以下將詳細介紹功率MOSFET最基礎(chǔ)的知識，包括：什么是MOSFET，MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性、幾個常用參數(shù)、選型原則等，保證大家看完就懂！
 
什么是MOSFET
 
MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應(yīng)來控制半導體（S）的場效應(yīng)晶體管。
 
功率MOSFET的結(jié)構(gòu)
 
功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號如圖所示，它可分為 NPN型和PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型通常稱P溝道型。由圖1可看出，對于N溝道型的場效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導體上，同樣對于P 溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓(或稱場電壓)控制，可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。
 
 
功率MOSFET的工作原理
 
截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。
 
導電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面
 
當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導電。
 
功率MOSFET的基本特性
 
靜態(tài)特性：
其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性如圖2所示。
 
 
漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs。
 
MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）；飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）；非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）。電力 MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。電力 MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。
 
動態(tài)特性：
其測試電路和開關(guān)過程波形如圖3所示。
 
 
td(on)導通延時時間——導通延時時間是從當柵源電壓上升到10%柵驅(qū)動電壓時到漏電流升到規(guī)定電流的10%時所經(jīng)歷的時間。
 
tr上升時間——上升時間是漏極電流從10%上升到90%所經(jīng)歷的時間。
　　
iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。
　　
開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和。
 
td(off)關(guān)斷延時時間——關(guān)斷延時時間是從當柵源電壓下降到90%柵驅(qū)動電壓時到漏電流降至規(guī)定電流的90%時所經(jīng)歷的時間。這顯示電流傳輸?shù)截撦d之前所經(jīng)歷的延遲。
 
tf下降時間——下降時間是漏極電流從90%下降到10%所經(jīng)歷的時間。
 
關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間和下降時間之和。
 
理解MOSFET的幾個常用參數(shù)
 
VDS，即漏源電壓，這是MOSFET的一個極限參數(shù)，表示MOSFET漏極與源極之間能夠承受的最大電壓值。需要注意的是，這個參數(shù)是跟結(jié)溫相關(guān)的，通常結(jié)溫越高，該值最大。
 
RDS(on)，漏源導通電阻，它表示MOSFET在某一條件下導通時，漏源極之間的導通電阻。這個參數(shù)與MOSFET結(jié)溫，驅(qū)動電壓Vgs相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，結(jié)溫越高，Rds越大;驅(qū)動電壓越高，Rds越小。
 
Qg，柵極電荷，是在驅(qū)動信號作用下，柵極電壓從0V上升至終止電壓(如15V)所需的充電電荷。也就是MOSFET從截止狀態(tài)到完全導通狀態(tài)，驅(qū)動電路所需提供的電荷，是一個用于評估MOSFET的驅(qū)動電路驅(qū)動能力的主要參數(shù)。
 
Id，漏極電流，漏極電流通常有幾種不同的描述方式。根據(jù)工作電流的形式有，連續(xù)漏級電流及一定脈寬的脈沖漏極電流(Pulsed drain current)。這個參數(shù)同樣是MOSFET的一個極限參數(shù)，但此最大電流值并不代表在運行過程中漏極電流能夠達到這個值。它表示當殼溫在某一值時，如果MOSFET工作電流為上述最大漏極電流，則結(jié)溫會達到最大值。所以這個參數(shù)還跟器件封裝，環(huán)境溫度有關(guān)。
 
Eoss，輸出容能量，表示輸出電容Coss在MOSFET存儲的能量大小。由于MOSFET的輸出電容Coss有非常明顯的非線性特性，隨Vds電壓的變化而變化。所以如果datasheet提供了這個參數(shù)，對于評估MOSFET的開關(guān)損耗很有幫助。并非所有的MOSFET手冊中都會提供這個參數(shù)，事實上大部分datasheet并不提供。
 
Body Diode di/dt 體二極管的電流變化率，它反應(yīng)了MOSFET體二極管的反向恢復特性。因為二極管是雙極型器件，它受到電荷存儲的影響，當二極管反向偏置時，PN結(jié)儲存的電荷必須清除，上述參數(shù)正是反應(yīng)這一特性的。
 
Vgs，柵源極最大驅(qū)動電壓，這也是MOSFET的一個極限參數(shù)，表示MOSFET所能承受的最大驅(qū)動電壓，一旦驅(qū)動電壓超過這個極限值，即使在極短的時間內(nèi)也會對柵極氧化層產(chǎn)生永久性傷害。一般來說，只要驅(qū)動電壓不超過極限，就不會有問題。但是，某些特殊場合，因為寄生參數(shù)的存在，會對Vgs電壓產(chǎn)生不可預料的影響，需要格外注意。
 
SOA，安全工作區(qū)，每種MOSFET都會給出其安全工作區(qū)域，不同雙極型晶體管，功率MOSFET不會表現(xiàn)出二次擊穿，因此安全運行區(qū)域只簡單從導致結(jié)溫達到最大允許值時的耗散功率定義。
 
功率MOSFET的選型原則
 
了解了MOSFET的參數(shù)意義，如何根據(jù)廠商的產(chǎn)品手冊表選擇滿足自己需要的產(chǎn)品呢？可以通過以下四步來選擇正確的MOSFET。
 
1） 溝道的選擇　　
為設(shè)計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道 MOSFET.在典型的功率應(yīng)用中，當一個MOSFET接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝 道MOSFET,這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當MOSFET連接到總線及負載接地時，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用P溝道 MOSFET,這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮?！?/div>
　
2） 電壓和電流的選擇　　
額定電壓越大，器件的成本就越高。根據(jù)實踐經(jīng)驗，額定電壓應(yīng)當大于干線電壓或 總線電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不會失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS.設(shè)計工程 師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備（如電機或變壓器）誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源 為20~30V、85~220VAC應(yīng)用為450~600V.　　在連續(xù)導通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電 涌（或尖峰電流）流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可?！?/div>
 
3） 計算導通損耗　　
MOSFET器件的 功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對便攜式設(shè)計來說，采用較低的電壓比較容易 （較為普遍），而對于工業(yè)設(shè)計，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS（ON）電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供 的技術(shù)資料表中查到?！?/div>
　
4） 計算系統(tǒng)的散熱要求　　
設(shè)計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果，因為這 個結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最 大的結(jié)溫。
　　
開關(guān)損耗其實也是一個很重要的指標。導通瞬間的電壓電流乘積相當大，一定程度上決定了器件的開關(guān)性能。不過，如果系統(tǒng)對開關(guān)性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。
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